I tusenvis av år har smarte folk blandet metaller for å lage nyttige materialer. Bronsealderen startet rundt 3300 år f.Kr.
Bronse er en blanding av kobber og tinn som er sterkere enn metallene er hver for seg. Slike blandinger av metaller kaller vi legeringer.
Nå har forskere ved NTNU oppdaget en ny og overraskende metode for å lage en helt ny oppfinnelse, nemlig legeringer av aluminium med ørsmå nanopartikler av andre metaller i seg.
Den nye metoden gjør materialene enda sterkere, og den er overraskende fordi den går imot intuisjonen.
Rent aluminium holder ikke
Aluminium er et vanlig metall å bruke for å lage deler innenfor luft- og romfart, annen transport og byggeindustrien. Dette er delvis fordi metallet er både lett og hardført. Aluminiumslegeringer beholder disse gode egenskapene, men er enda sterkere enn aluminium uten tilsetninger.
– Om vi brukte rent aluminium, ville det så klart ikke vært sterkt nok, sier Yanjun Li, professor i fysikalsk metallurgi ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.
De siste årene har forskere støtt på problemer når de har prøvd å lage aluminiumslegeringer som er nanoforsterket med kobberatomer.
Disse kobberatomene har nemlig en tendens til å klumpe seg sammen i stedet for å fordele seg i hele materialet. Da lager de store partikler av kobber og aluminium i materialet, og vi får ikke de egenskapene vi ønsker oss. Materialet blir svakere. Dette gjelder spesielt ved temperaturer over 100 grader.
– De akkumulerer seg i stedet og lager store partikler, sier Li. – Disse store partiklene reduserer faktisk styrken.
Kobberatomene kan bevege seg i materialet om det finnes ledige hulrom i det som ikke allerede er tatt opp av andre atomer. Så forskere har prøvd å redusere antallet hulrom i aluminiumen for å begrense muligheten kobberatomene har for å bevege seg.
– Om det ikke finnes hulrom, kan atomene så klart ikke bevege seg, sier Li.
Men nå har Li og kollegaene funnet en måte å øke antallet hulrom i materialet på i stedet for å redusere dem. Samtidig har de økt styrken på legeringen.
Forskningen er delvis finansiert av Forskningsrådet, og nå er en artikkel om arbeidet publisert i Nature Communications.
Nye strukturer gjør legeringen sterkere
I tillegg til kobberatomer tilsatte forskerne atomer av grunnstoffet scandium. Dette økte altså antallet hulrom i materialet. Men scandium- og kobberatomene, sammen med hulrommene, dannet strukturer sammen som ikke så lett greide å bevege seg i materialet.
– Sammen er disse strukturene svært stabile, sier Li. – Det blir vanskeligere for dem å bevege seg.
Takket være de nye strukturene av scandium og kobber klumpet ikke partiklene seg i det hele tatt. Dette gjaldt selv når den nye legeringen ble utsatt for 200 grader i 24 timer.
Denne stabiliteten betyr at kobberatomene forblir jevnt fordelt gjennom hele materialet og at legeringen bevarer styrken.
Kunne kikke inni materialet
Forskerne observerte de nye strukturene ved hjelp at såkalt «atom probe tomography» eller APT. Dette er en teknikk som gjør det mulig å se hva som skjer på atomnivå innen i et materiale.
Doktorgradsstudenten Hanne Søreide lagde svært tynne nåler av det nye materialet – på bare 50 nanometer i diameter. 50 nanometer tilsvarer 0,00005 millimeter. Dette gjorde hun ved hjelp av NTNU NanoLabs FIB, eller «focused ion beam».
Deretter brukte hun APT for å fordampe ett og ett atom fra tuppen av disse nålene. En detektor skaffet informasjon om atomene.
– Ulike atomer flyr raskere eller saktere, sier professor Li.
Ved hjelp av denne informasjonen kunne forskerne rekonstruere et bilde av hvor hvert enkelt atom opprinnelig hadde befunnet seg i materialet. På denne måten så de at atomer fra de to ulike tilsetningene knyttet seg sammen inne i aluminiumen.
– De binder seg sammen. Dette kan vi detektere med kobber og aluminium, sier Li. – De binder seg faktisk svært tett til hverandre.
Forskerne bekreftet funnene ved hjelp av «transition electron microscopy», TEM.
Har allerede laget en sterkere legering
Li sier forskerne allerede har brukt disse funnene til å lage en aluminiumslegering som er 50 prosent sterkere enn legeringer med den samme mengden kobber som i dag er tilgjengelig kommersielt.
– Dette er ikke en enkel oppgave for aluminium, sier han.
Materialene Li og kollegaene har laget i laboratoriet, er ennå langt fra tilgjengelige for bruk i industrien. Men materialer som bevarer styrken ved høye temperaturer er nyttige i motorer og til annen bruk på områder der deler blir varme.
NTNUs atom probe-laboratorium er det første i sitt slag i Norge. Li og kollegaene håper de kan bruke APT for å finne nye materialer med ønskede egenskaper.
– Når vi virkelig forstår materialet på atomnivå, får vi hjelp til å utvikle nye legeringer, nye materialer med enda høyere styrke, sier Li. – Uten hjelpen fra dette instrumentet er det nesten umulig å forstå disse materialene.
Artikkelen ble først publisert på Gemini.no
Svensk kjernekraftselskap bygger testreaktor
